摘" 要：隨著航天業(yè)的不斷發(fā)展，我國航天制造領(lǐng)域也引入各類先進(jìn)技術(shù)。激光跟蹤技術(shù)作為高精度測(cè)量技術(shù)不可避免地被引入我國航天系統(tǒng)。該文首先對(duì)激光跟蹤測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行介紹，之后簡(jiǎn)單地描述激光跟蹤儀的測(cè)量原理及使用方法，并從航天器的制造、裝配、數(shù)據(jù)測(cè)量3個(gè)角度描述激光跟蹤儀在航天制造業(yè)的重要性。最后對(duì)航天制造業(yè)中的激光跟蹤技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)未來航天制造業(yè)的激光跟蹤技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：航天制造；激光跟蹤技術(shù)；高精度數(shù)據(jù)測(cè)量；測(cè)量原理；使用方法

中圖分類號(hào)：TN249" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）14-0173-04

Abstract： With the continuous development of the aerospace industry， various advanced technologies have been introduced into the field of aerospace manufacturing in China. As a high-precision measurement technology， laser tracking technology is inevitably introduced into China's space system. In this paper， the development of laser tracking measurement technology is introduced， and then the measurement principle and application method of laser tracker are briefly described. The importance of laser tracker in aerospace manufacturing industry is described from the point of view of spacecraft manufacture， assembly and data measurement. Finally， the laser tracking technology in aerospace manufacturing industry is summarized， and the application prospect of laser tracking technology in aerospace manufacturing industry in the future is prospected.

Keywords： aerospace manufacturing; laser tracking technology; high precision data measurement; measurement principle; usage

隨著中國航天制造技術(shù)的不斷發(fā)展，我國完成的航天任務(wù)舉世矚目，各項(xiàng)航天技術(shù)壁壘被不斷地打破[1]，為我國國防事業(yè)、科技創(chuàng)新事業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。航天制造產(chǎn)業(yè)作為我國機(jī)械制造行業(yè)的領(lǐng)軍者，需要各式各樣的先進(jìn)技術(shù)來完成生產(chǎn)、裝配、測(cè)試等工作，并不斷地革新技術(shù)。

航天器作為高端精密產(chǎn)品，對(duì)于數(shù)據(jù)的測(cè)量精度要求很高，一般的設(shè)備很難得到如此高精度的測(cè)量數(shù)據(jù)。此外高精度的自動(dòng)化裝配往往也需要相應(yīng)的測(cè)量設(shè)備來進(jìn)行輔助工作，高精度測(cè)量設(shè)備的使用必不可少。

激光跟蹤儀作為一種高精度空間極坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備，通過激光測(cè)距系統(tǒng)、角度測(cè)量系統(tǒng)、跟蹤控制系統(tǒng)幾個(gè)部分組成，輔助使用靶球等光學(xué)目標(biāo)反射器來進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)測(cè)量以及空間圖線的繪制[2]。在航空航天領(lǐng)域中對(duì)飛機(jī)部組件的尺寸測(cè)量及裝配精度的測(cè)量，在機(jī)床生產(chǎn)行業(yè)中對(duì)機(jī)床的平面度、直線度等尺寸要求，在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域中對(duì)新式車型的外形面精度測(cè)量，在高端機(jī)械設(shè)備制造中對(duì)機(jī)器人位置準(zhǔn)確度的標(biāo)定等制造領(lǐng)域，均需用到激光跟蹤儀來進(jìn)行測(cè)量。

1" 激光跟蹤儀概述

激光跟蹤儀將激光作為測(cè)距工具，被譽(yù)為精密測(cè)量領(lǐng)域的掌上明珠，其是一種與反射標(biāo)靶共同組合使用來進(jìn)行測(cè)距的儀器，可以測(cè)量靜止的目標(biāo)，還可以跟蹤和測(cè)量移動(dòng)目標(biāo)或者是靜止、移動(dòng)狀態(tài)組合而成的目標(biāo)。目前世界范圍內(nèi)三大激光跟蹤儀的品牌是瑞士的LEICA、美國的FARO和API。激光跟蹤儀如圖1—圖3所示。

各激光跟蹤儀的優(yōu)勢(shì)見表1。

1.1" 激光跟蹤技術(shù)的發(fā)展歷程

激光跟蹤技術(shù)起源于美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）。Muralikrishnan等[3]對(duì)團(tuán)隊(duì)研究的激光跟蹤測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，包含誤差模型、測(cè)量不確定度、性能評(píng)估及配套工具裝備研制等許多方面問題的研究，總結(jié)出ASME B89.4.19、VDI/VDE 2617-10及ISO 10360-10[4-6]3個(gè)性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，保證了激光跟蹤技術(shù)的測(cè)量精度與實(shí)用性。

隨著激光跟蹤測(cè)量理論的不斷發(fā)展與完善，1990年瑞士的徠卡公司首先研制出了世界第一臺(tái)激光跟蹤儀[7-8]。之后我國航天制造業(yè)引進(jìn)了激光跟蹤設(shè)備，并引發(fā)了我國激光跟蹤測(cè)量技術(shù)的研究熱潮。

中科院周維虎等[9-13]對(duì)激光跟蹤儀的誤差影響因素以及誤差減小方法進(jìn)行了研究，并進(jìn)行激光跟蹤儀的自主研發(fā)。

王銅等[14]對(duì)激光跟蹤儀測(cè)量精度的表達(dá)、測(cè)試方法進(jìn)行了介紹，并對(duì)激光跟蹤儀標(biāo)稱精度指標(biāo)的計(jì)算方法進(jìn)行了推導(dǎo)。

王小龍等[15]對(duì)由于測(cè)量控制網(wǎng)產(chǎn)生的激光跟蹤儀誤差累積問題進(jìn)行了分析。

1.2" 激光跟蹤儀的測(cè)量原理

以瑞士的LEICA激光跟蹤儀為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示[16]，主要由垂直和水平角度編碼器、電機(jī)及跟蹤器、位置探測(cè)器、干涉測(cè)距模塊、絕對(duì)測(cè)距模塊、支撐底座和手持式反射球幾個(gè)主要部分組成。

激光跟蹤儀測(cè)量原理如圖5所示，其測(cè)量方式為球坐標(biāo)測(cè)量，在測(cè)量時(shí)將激光發(fā)射器發(fā)射的激光射至手持的反射球上，之后反射球?qū)⒓す夥瓷浠丶す飧檭x，并通過跟蹤儀的2個(gè)角度編碼器測(cè)得被測(cè)物體上P點(diǎn)的空間距離d、偏置角α、水平角β，建立以激光跟蹤儀位置為坐標(biāo)圓心的極坐標(biāo)系，并計(jì)算出被測(cè)物體P點(diǎn)的空間相對(duì)位置，得到該極坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）。測(cè)量人員通過計(jì)算機(jī)中給出的計(jì)算結(jié)果即可知道測(cè)點(diǎn)的空間相對(duì)位置，之后僅需通過不停地移動(dòng)反射球來進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)測(cè)量便可得到測(cè)量數(shù)據(jù)，最后完成測(cè)量過程。測(cè)量方式如圖6所示。

2" 激光跟蹤儀在航天制造業(yè)中的應(yīng)用

航天制造領(lǐng)域中對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)、測(cè)量精度要求非常高，且不規(guī)則形狀的產(chǎn)品也非常多，使用常規(guī)的測(cè)量方法很難滿足相應(yīng)的需求。激光跟蹤儀的引入大大彌補(bǔ)了航天領(lǐng)域在該方面的不足。

激光跟蹤儀在航天產(chǎn)品的機(jī)械加工領(lǐng)域、裝配測(cè)量領(lǐng)域、實(shí)驗(yàn)設(shè)備標(biāo)定領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。通過對(duì)激光跟蹤儀的使用，航天制造領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品驗(yàn)收及合格性檢測(cè)等方面均出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

2.1" 在機(jī)械加工制造中的應(yīng)用

在航天器產(chǎn)品加工制造的過程中，為滿足后續(xù)的裝配要求，幾個(gè)孔之間的孔距、加工的平面度和輪廓度都會(huì)有著較高的加工精度要求。加工設(shè)備僅能夠保證加工時(shí)的精度，不能保證加工完成后的精度。有時(shí)一些較為微小的應(yīng)力釋放、冷變形、熱變形都會(huì)使被加工件數(shù)據(jù)超差，需要返修。傳統(tǒng)的測(cè)量方式測(cè)量誤差較大，不適合精度過高的測(cè)量，通過使用激光跟蹤儀可將測(cè)量精度提高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工完成后的不合格品，避免后續(xù)因無法裝配，需進(jìn)行返修而浪費(fèi)時(shí)間。

2.2" 在產(chǎn)品裝配中的應(yīng)用

航天器的裝配大部分是人工裝配，人工裝配有一定的誤差，且誤差大小不可控，與操作人員的技能水平有關(guān)。航天器對(duì)于一些裝配后的測(cè)量數(shù)據(jù)較為敏感，尤其是涉及多種零件組合裝配、對(duì)氣動(dòng)外形有影響的裝配、與控制系統(tǒng)相關(guān)的裝配均需要裝配后進(jìn)行裝配數(shù)據(jù)測(cè)量，且要求的測(cè)量精度較高。使用激光跟蹤儀可快速且準(zhǔn)確地測(cè)量出裝配后的測(cè)量數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)分析人員的后續(xù)精確計(jì)算打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.3" 在其他測(cè)量設(shè)備上的應(yīng)用

航天器的其他特性測(cè)量數(shù)據(jù)精度要求同樣很高，其測(cè)量設(shè)備的標(biāo)定也同樣要求較為精確。通過使用機(jī)關(guān)跟蹤儀可以對(duì)各種需求的航天器特性測(cè)量臺(tái)的位置、方向和空間坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，為后續(xù)對(duì)航天器數(shù)據(jù)測(cè)量鋪平了道路。

3" 結(jié)束語

隨著我國航天制造業(yè)的不斷發(fā)展，新式的航天器層出不窮，對(duì)于數(shù)據(jù)的測(cè)量精度要求也越來越高，激光跟蹤儀在航天制造業(yè)的使用也越來越廣泛。此外，隨著自動(dòng)化、數(shù)字化系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，高精度加工、高精度檢測(cè)、高精度裝配也逐漸開始進(jìn)行應(yīng)用。在制造與裝配中進(jìn)行結(jié)果檢測(cè)，將會(huì)大大降低生產(chǎn)的周期，節(jié)省了時(shí)間成本。

在后續(xù)的制造業(yè)發(fā)展中，將激光跟蹤測(cè)量技術(shù)與自動(dòng)化加工、自動(dòng)化裝配和自動(dòng)化檢測(cè)等技術(shù)結(jié)合起來，將會(huì)擁有廣泛的應(yīng)用前景。此外，將激光跟蹤測(cè)量技術(shù)與誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行整合，也可以有效地提高產(chǎn)品的生產(chǎn)精度，提高產(chǎn)品的品控?？偠灾す飧櫆y(cè)量技術(shù)在航天制造業(yè)的應(yīng)用不僅是當(dāng)下的使用，還擁有未來的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳根余，顧春影，梅麗芳，等.激光焊接技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)激光組焊單元設(shè)計(jì)[J].電焊機(jī)，2010，40（5）：32-38.

[2] 劉宇鑒，蔣華平，陳佳睿.激光跟蹤儀在烏東德機(jī)組安裝工程中的應(yīng)用[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2022，41（5）：12-20.

[3] MURALIKRISHNAN B， PHILLIPS S， SAWYER D. Laser trackers for large-scale dimensional metrology： A review [J]. Precision Engineering， 2016（44）：13-28.

[4] American Society of Mechanical Engineers. Performance evaluation of laser-based spherical coordinate measurement systems： ASME B89.4.19—2006 [S].USA： HIS， 2006.

[5] Verein Deutscher Ingenieure. Accuracy of coordinate measuring machines - characteristics and their checking - acceptance and reverification tests of laser trackers： VDI/VDE 2617-10：2011[S].Germany： Verlag des Vereins Deutscher Ingenieure， 2013.

[6] Geometrical Product Specifications （GPS）-Acceptance and reverification tests for coordinate measuring systems （CMS） - Part 10： Laser trackers for measuring point-to-point distances： ISO 10360-10：2016 [S].Switzerland： HIS，2016.

[7] 范百興，李廣云，易旺民，等.激光跟蹤儀測(cè)量原理與應(yīng)用[M].北京：測(cè)繪出版社，2017.

[8] 宋志超，陳翰新，溫宗勇，等.大國工程測(cè)量技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019.

[9] 周維虎，費(fèi)業(yè)泰，李百源，等.激光跟蹤儀幾何誤差修正[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2002（1）：56-59，63.

[10] 王亞偉，周維虎，王中宇，等.[J].光電子技術(shù)，2011，31（2）：83-86，97.

[11] 周維虎，丁蕾，王亞偉，等.光束平差在激光跟蹤儀系統(tǒng)精度評(píng)定中的應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程，2012，20（4）：851-857.

[12] 盧榮勝，李萬紅，勞達(dá)寶，等.激光跟蹤儀測(cè)角誤差補(bǔ)償[J].光學(xué)精密工程，2014，22（9）：2299-2305.

[13] 范百興，李廣云，周維虎，等.激光跟蹤儀空間聯(lián)合平差模型及精度分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2018，43（1）：120-126.

[14] 王銅，周維虎，董嵐，等.粒子加速器中激光跟蹤儀控制網(wǎng)測(cè)量精度研究[J/OL].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2021：1-14.

[15] 王小龍，康玲，董嵐，等.加速器準(zhǔn)直控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理誤差累積研究[J].核技術(shù)，2021，44（9）：25-33.

[16] 朱俊秋.激光跟蹤儀應(yīng)用于風(fēng)電齒輪箱在線測(cè)量的可行性研究[J].設(shè)備管理與維修，2022（2）：37-40.